陳瑞 唐淼 卜建軍 邊彥軍
摘要:隨著新能源發(fā)電占比的提高,電化學(xué)儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的重要性越來越高,近幾年隨著政策引導(dǎo)及市場(chǎng)發(fā)展需求,電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的裝機(jī)量呈爆發(fā)趨勢(shì)。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的消防安全問題是當(dāng)前電力行業(yè)需要面對(duì)的重大挑戰(zhàn)之一。為了預(yù)防和減少電化學(xué)儲(chǔ)能火災(zāi)事故的發(fā)生,需要加強(qiáng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全監(jiān)管,采用更可靠的電池技術(shù),制定更嚴(yán)格的消防標(biāo)準(zhǔn),并加強(qiáng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理與應(yīng)急響應(yīng)能力,確保儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
關(guān)鍵詞:鋰電池;儲(chǔ)能系統(tǒng);熱失控;消防安全
中圖分類號(hào):D631.6? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ?文章編號(hào):2096-1227(2023)11-0066-03
伴隨可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的加速滲透,能源供需之間的差異需要平衡,儲(chǔ)能作為實(shí)現(xiàn)碳中和的穩(wěn)定器迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)。目前,電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)主要應(yīng)用鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等技術(shù)。然而電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)基于其本身屬性,具有一定的危險(xiǎn)性,若沒有科學(xué)的技術(shù)加持,容易發(fā)生火災(zāi)或者爆炸。電化學(xué)儲(chǔ)能火災(zāi)事故在近年來呈現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。特別是三元鋰電池體系存在著較高的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn),并且充電過程中及充電后的休止期間是容易發(fā)生火災(zāi)的關(guān)鍵時(shí)期。
1 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)案例分析
本文以2021年發(fā)生在北京的“4·16”大紅門儲(chǔ)能火災(zāi)事件為例進(jìn)行儲(chǔ)能事故復(fù)盤。
2021年4月16日11時(shí)50分許,位于豐臺(tái)區(qū)西馬場(chǎng)甲14號(hào)的北京福威斯油氣技術(shù)有限公司光儲(chǔ)充一體化項(xiàng)目發(fā)生火災(zāi)爆炸,12時(shí)17分,北京市119指揮中心接報(bào)儲(chǔ)能電站起火的警情,調(diào)派15個(gè)消防站47輛消防車235名指戰(zhàn)員到場(chǎng)處置。14時(shí)15分許,在對(duì)電站南區(qū)進(jìn)行處置過程中,電站北區(qū)在毫無征兆的情況下突發(fā)爆炸,導(dǎo)致電站內(nèi)1名員工死亡,2名消防員犧牲,1名消防員受傷,火災(zāi)直接財(cái)產(chǎn)損失1660.81萬元[1]。經(jīng)過調(diào)查和分析,事故的直接原因是南樓電池間的磷酸鐵鋰電池發(fā)生內(nèi)短路故障,導(dǎo)致電池?zé)崾Э仄鸹?。而北樓發(fā)生爆炸的原因則是由于南樓電池間的電池和電池模組熱失控?cái)U(kuò)散起火,在電纜溝中形成了易燃易爆氣體,遇到電氣火花引發(fā)了爆炸。事故的間接原因包括涉事企業(yè)安全責(zé)任不落實(shí)、存在未備案先建設(shè)問題、安全隱患未完全排除等;以及相關(guān)單位安全監(jiān)督檢查不到位、對(duì)新能源項(xiàng)目安全問題關(guān)注不足等。
電化學(xué)儲(chǔ)能火災(zāi)不僅具備高破壞性,而且往往具有復(fù)雜多變的特點(diǎn),給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。以上儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)事故引發(fā)的主要原因如下:①電池滅火系統(tǒng)未能阻止故障電池?zé)崾Э?,故障電池將熱量向周圍電池傳遞,從而導(dǎo)致熱失控連鎖反應(yīng);②電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生可燃?xì)怏w聚集,可燃?xì)怏w導(dǎo)致了爆炸;③儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池間空間不足、可燃?xì)怏w通風(fēng)不足以及缺乏對(duì)應(yīng)急工作人員的適當(dāng)培訓(xùn)。
2 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)機(jī)理及特征
目前主流的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括電池系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng) (BMS)、變流器系統(tǒng)(PCS)、冷卻系統(tǒng)、消防系統(tǒng)以及照明和監(jiān)控系統(tǒng)等,且因并入電壓等級(jí)不同而配置變壓升壓系統(tǒng)。電池系統(tǒng)的構(gòu)成,目前大型儲(chǔ)能電池艙一般由多個(gè)電池簇構(gòu)成,每個(gè)電池簇由多個(gè)電池模組并聯(lián)而成,電池模組內(nèi)由多個(gè)電芯串并聯(lián)構(gòu)成。從溫控方式來分,電池艙一般有液冷和風(fēng)冷兩種冷卻方式。
儲(chǔ)能電站的火災(zāi)事故主要有兩大類:一類是電氣類火災(zāi),一類是電池?zé)崾Э匾l(fā)的火災(zāi)。其中,電氣類火災(zāi)主要由于短路、過載、老化等電氣類原因引發(fā),目前儲(chǔ)能系統(tǒng)中的自動(dòng)消防系統(tǒng)基本已經(jīng)可以防控此類火災(zāi)。目前已經(jīng)對(duì)熱失控進(jìn)行了大量研究,熱失控是一個(gè)涉及化學(xué)、材料科學(xué)和工程學(xué)的非常復(fù)雜的過程。一般來說,當(dāng)放熱反應(yīng)失控時(shí),即由于溫度升高導(dǎo)致反應(yīng)速率增加,從而進(jìn)一步升高溫度,進(jìn)而增加反應(yīng)速率,可能導(dǎo)致爆炸[2]。有人提出,在80℃以上熱失控可能會(huì)自發(fā)地導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。鋰離子電池的失控,是由電解液、陽(yáng)極和陰極之間的放熱反應(yīng)引起的,隨著電池內(nèi)溫度和壓力的增加,最終電池將破裂[3]。
究其原因,引發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э馗驹蛑饕譃槿悾阂皇菣C(jī)械濫用,比如擠壓或針刺導(dǎo)致機(jī)械變形甚至隔膜部分破裂引發(fā)內(nèi)短路;二是電濫用,如過充過放等導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生鋰枝晶,鋰枝晶穿破隔膜引發(fā)正負(fù)極短路;三是熱濫用,溫度過高導(dǎo)致負(fù)極材料與電解液發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生熱累積進(jìn)而隔膜和正極材料等發(fā)生分解,隔膜大規(guī)模崩潰導(dǎo)致正負(fù)極短路。三類引發(fā)熱失控誘因的共同環(huán)節(jié)均為電芯內(nèi)部短路,造成電池內(nèi)部溫度積累。
3 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)預(yù)防與安全策略
電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)防火設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“預(yù)防為主,防消結(jié)合”的方針,電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的消防安全管理應(yīng)從選址到系統(tǒng)自身硬件配置、到現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)布局均需遵循相關(guān)安全規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。
3.1? 電站設(shè)計(jì)層面
電化學(xué)儲(chǔ)能電站在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段應(yīng)編制項(xiàng)目可行性研究報(bào)告,選址、布局應(yīng)合理,應(yīng)充分評(píng)估發(fā)生安全事故對(duì)所在場(chǎng)所的建筑結(jié)構(gòu)安全、人員生命安全以及應(yīng)急救援處置可能造成的影響。
電站的設(shè)計(jì)要參考GB 51048—2014《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》,GB 50016—2014(2018年版)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》,中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)在2020年6月30日發(fā)布的T/CEC 373—2020《預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站消防技術(shù)規(guī)范》(以下稱規(guī)范),GB/T 40248—2021《人員密集場(chǎng)所消防安全管理》等。通過以上標(biāo)準(zhǔn),關(guān)于站址選擇應(yīng)滿足防火防爆、防洪防澇、防塵防腐的要求。站址不得貼鄰或設(shè)置在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、經(jīng)營(yíng)易燃易爆危險(xiǎn)品的場(chǎng)所。不得設(shè)置在具有粉塵、腐蝕性氣體的場(chǎng)所。不得設(shè)置在可能積水的場(chǎng)所,必要時(shí)應(yīng)設(shè)置擋水排水設(shè)施或采取抬高措施。不得設(shè)置在重要電力設(shè)施保護(hù)區(qū)內(nèi)。另鋰離子電池設(shè)備間(艙)不得設(shè)置在人員密集場(chǎng)所,不得設(shè)置在(經(jīng)常有人生產(chǎn)生活的)建筑物內(nèi)部或其地下空間。電化學(xué)儲(chǔ)能電站宜設(shè)置在市政消防管網(wǎng)覆蓋區(qū)域或靠近可靠水源。
為減小儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)周邊生產(chǎn)生活建筑類的安全隱患,參考標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí),電池設(shè)備艙(室)與生產(chǎn)建筑、生活建筑之間的防火間距不應(yīng)小于下列值:與甲類生產(chǎn)建筑距離不小于12m;與乙類生產(chǎn)建筑距離不小于10m;與丙、丁、戊類生產(chǎn)建筑且耐火等級(jí)為一、二級(jí)的距離不小于10m;與丙、丁、戊類生產(chǎn)建筑且耐火等級(jí)為三級(jí)的距離不小于12m;與其他生活建筑耐火等級(jí)為一、二級(jí)的距離不小于10m,耐火等級(jí)為三級(jí)的距離不小于12m。相鄰兩座建筑兩面的外墻為非燃燒體且無門窗洞口、無外露的燃燒屋檐的其防火間距可減少25%;相鄰兩座建筑較高一面的外墻為防火墻且兩座建筑物門窗之間的凈距不小于5m時(shí)其防火間距不限,但甲類建筑之間不應(yīng)小于4m;電池設(shè)備艙(室)與丙、丁、戊類生產(chǎn)建筑之間采用防火墻時(shí),防火間距不限。儲(chǔ)能電站的應(yīng)急車道、事故處置場(chǎng)地應(yīng)滿足需求,科學(xué)評(píng)估爆炸當(dāng)量及影響范圍,標(biāo)識(shí)疏散避險(xiǎn)區(qū)域范圍。
3.2? 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面
儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性,可以概括為一方面是從電氣設(shè)計(jì)角度的安全性,一方面是電池本體安全性。電氣方面的安全性目前相對(duì)比較成熟,目前儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣保護(hù)基本能在火災(zāi)時(shí)或熱失控發(fā)生時(shí)發(fā)揮保護(hù)機(jī)制達(dá)到其安全設(shè)計(jì)的目的。電池本體的安全,需要從熱管理、熱失控預(yù)警以及熱失控控制方面來設(shè)計(jì)。
Yang Peng等人[4]對(duì)電池點(diǎn)火后的穩(wěn)定燃燒階段進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論,在入射熱流密度為11.1kW·m?2的條件下,電池從點(diǎn)火到熱失控需要201s。這樣的時(shí)間間隔有利于對(duì)電池?zé)崾Э剡M(jìn)行預(yù)警。鋰離子電池?zé)崾Э厥且粋€(gè)過程,有一個(gè)比較長(zhǎng)的時(shí)間段,在這個(gè)過程前期會(huì)釋放大量的CO、H2、烷烴類氣[5],通過氣體探測(cè)器探測(cè),可以及早發(fā)現(xiàn)故障電池,進(jìn)行處理和更換。
在消防介質(zhì)的選擇上,考慮電池?zé)崾Э靥卣鳎谶_(dá)到滅火的同時(shí)要對(duì)電池進(jìn)行降溫。如果不對(duì)電池降溫,熱失控將不會(huì)停止,因此需要配套到電池組或電池箱定向滅火系統(tǒng),熱失控發(fā)生時(shí),其作用是:一方面撲滅火災(zāi),另一方面持續(xù)不斷地對(duì)電池進(jìn)行降溫,以達(dá)到中止熱失控的目的。Shuai Yuan[6]等討論了氣體滅火劑、干粉滅火劑、水基滅火劑和氣溶膠等幾種滅火劑。這些滅火劑在撲救鋰電池火災(zāi)時(shí)存在著用量大、時(shí)間長(zhǎng)、易重燃等缺陷。為了迅速撲滅鋰電池火災(zāi),需要研制一種有效的鋰電池滅火劑。哈龍、HFC-227ea、CO2、Novec1230等氣體滅火劑有利于在滅火過程中保護(hù)電池系統(tǒng)的完整性。但氣體滅火劑不能有效降低電池溫度。與上述氣體滅火劑類似,干粉和氣溶膠不導(dǎo)電,而這些藥劑會(huì)污染電池系統(tǒng)。此外,它們的熱容量也不容樂觀。水基滅火劑具有高潤(rùn)濕性、低粘度、高熱容量、環(huán)保、吸煙性好等綜合性能。高熱容量的滅火劑可以冷卻電池,降低電池重燃的可能性。然而,其適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證,因?yàn)槠淇赡軐?dǎo)致電池系統(tǒng)短路。因此,一種具有高潤(rùn)濕性、低黏度、絕緣性能好、熱容量大、環(huán)境友好、吸煙性好的新型滅火劑是值得開發(fā)的,是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界非常需要的。Lin Zhang等[7]通過實(shí)驗(yàn)研究得出了“與單一滅火劑相比,在相同的釋放方式和釋放時(shí)間下,氣體滅火劑與水霧協(xié)同使用具有更好的滅火和冷卻效果?!钡慕Y(jié)論。
因此在設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)應(yīng)從電芯選型,模組到簇的搭建設(shè)計(jì),需遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),確保電池段自身的安全性能以及確保電氣安全[8];應(yīng)根據(jù)具體電池的類型對(duì)檢測(cè)氣體的成分進(jìn)行合理選擇,安裝火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),包括煙霧探測(cè)器、溫度傳感器和火焰探測(cè)器等,及時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的火災(zāi)跡象或異常情況。在電池艙內(nèi)設(shè)置多級(jí)電氣應(yīng)急熔斷保護(hù)機(jī)制、艙體排風(fēng)裝置、主動(dòng)換風(fēng)系統(tǒng)快速消除相關(guān)安全隱患,通過防爆泄壓系統(tǒng)降低內(nèi)部壓力,避免可燃性氣體聚集;并為儲(chǔ)能系統(tǒng)的單元模塊配備復(fù)合滅火裝置,并在發(fā)生熱失控時(shí)進(jìn)行持續(xù)的噴射降溫,以防溫度過高引起燃燒或者復(fù)燃。
4 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)與處置
當(dāng)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)時(shí),其應(yīng)急響應(yīng)與處置對(duì)策應(yīng)從以下方面進(jìn)行防治:
火災(zāi)監(jiān)測(cè)與報(bào)警:建立有效的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),包括溫度、煙霧、氣體等傳感器,并與監(jiān)控系統(tǒng)相連。當(dāng)監(jiān)測(cè)到火災(zāi)跡象時(shí),及時(shí)觸發(fā)報(bào)警裝置,以便進(jìn)行及時(shí)應(yīng)對(duì)。
系統(tǒng)切斷與隔離:在發(fā)生火災(zāi)時(shí),及時(shí)切斷電力供應(yīng),包括斷開電池組與電力網(wǎng)絡(luò)之間的連接,并迅速隔離受影響的區(qū)域,防止火勢(shì)蔓延。
滅火與遏制火勢(shì):采取適當(dāng)?shù)臏缁鹗侄芜M(jìn)行撲救,如干粉滅火器、二氧化碳滅火系統(tǒng)等。同時(shí),采取措施遏制火勢(shì)蔓延,如關(guān)閉通風(fēng)口、噴灑消防水等[9]。
應(yīng)急演練與培訓(xùn):作為儲(chǔ)能項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)者應(yīng)建立完善的應(yīng)急預(yù)案,并定期組織應(yīng)急演練,提高工作人員的應(yīng)急響應(yīng)能力。進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn),使工作人員熟悉正確的火災(zāi)處置程序與操作技能。
安全設(shè)施與防護(hù):確?,F(xiàn)場(chǎng)安全設(shè)施完善,包括滅火器、防火門、疏散通道等。同時(shí),定期檢查維護(hù)設(shè)施的狀態(tài),確保其正常運(yùn)行。
事故調(diào)查與分析:對(duì)發(fā)生的火災(zāi)事故進(jìn)行調(diào)查與分析,從事故原因、火災(zāi)擴(kuò)散機(jī)制、應(yīng)急響應(yīng)效果等方面進(jìn)行評(píng)估,為今后的應(yīng)急預(yù)案改進(jìn)提供依據(jù)。
宣傳與意識(shí)培養(yǎng):加強(qiáng)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)應(yīng)急的宣傳與教育,提高人們對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)與防范意識(shí)。通過開展培訓(xùn)、發(fā)布宣傳資料等方式,提高公眾和從業(yè)人員的火災(zāi)應(yīng)急意識(shí)。
5 未來展望與研究方向
當(dāng)前電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)研究面臨一些不足和挑戰(zhàn)。首先,電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)種類繁多,每種技術(shù)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)具有針對(duì)性,需要建立相應(yīng)的火災(zāi)防范措施。目前尚缺乏基于不同電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)單元的火災(zāi)預(yù)測(cè)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),使得對(duì)其火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防范措施的制定存在一定的困難。其次,電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜,火災(zāi)導(dǎo)火索眾多、隱蔽性強(qiáng)。目前尚缺乏系統(tǒng)性的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部異常情況監(jiān)測(cè)與診斷方法、技術(shù)和工具,難以及時(shí)預(yù)警和發(fā)現(xiàn)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。再次,電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)正處于快速發(fā)展階段,新技術(shù)、新材料、新模式的出現(xiàn)給火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的控制和防范帶來了新的挑戰(zhàn)。目前缺乏快速、準(zhǔn)確、可靠的檢測(cè)和診斷技術(shù),很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)小規(guī)模火災(zāi)事故,避免其擴(kuò)大爆發(fā)。最后,電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)事故的整個(gè)過程十分復(fù)雜,需要全方位、多角度的研究,包括火災(zāi)成因、熱學(xué)反應(yīng)過程、氣體釋放和擴(kuò)散,以及火場(chǎng)撲救等方面。目前仍需要加強(qiáng)各領(lǐng)域之間的合作與交流,提高整個(gè)研究水平。
綜上所述,電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)研究尚存在一定的不足和挑戰(zhàn),需要通過多學(xué)科融合、技術(shù)創(chuàng)新、合作交流等方式提高技術(shù)和理論水平,為實(shí)現(xiàn)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的有效控制和防范提供有力保障。提出未來研究的重點(diǎn)和方向,如火災(zāi)模型的建立、防火材料的開發(fā)等。
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Study on fire protection strategy of electrochemical energy storage system
Chen Rui1,Tang Miao2, Bu Jianjun2, Bian Yanjun2
(1. Zhejiang Chint Electric co.,ltd., Zhejiang Wenzhou 325603; 2. Songjiang District Fire and Rescue Brigade of Shanghai, Shanghai 201620)
AbstraCt: With the increase in the proportion of new energy power generation, the importance of electrochemical energy storage in the power system is getting higher and higher. In recent years, with the policy guidance and market development demand, the installed capacity of electrochemical energy storage systems has shown an explosive trend. The fire safety of electrochemical energy storage systems is one of the major challenges that the current power industry needs to face. In order to prevent and reduce the occurrence of electrochemical energy storage fire accidents, it is necessary to strengthen the safety supervision of energy storage systems, adopt more reliable battery technology, formulate stricter fire protection standards, and strengthen fire risk management and emergency response capabilities to ensure the safe operation of energy storage systems.
Keywords: lithium battery; energy storage system; thermal runaway; fire safety